Construire un plasmoïde de Nachamkin délibérément
Université. · 2 min de lecture
Ce qu'elle propose
Il existe une famille de solutions aux équations de Maxwell, dans un gaz partiellement ionisé, qui se comporte comme de l'énergie électromagnétique piégée dans une boule et se maintenant cohérente — avec une fréquence critique calculable et des tailles résonantes calculables auxquelles l'objet n'échange aucune énergie avec son environnement. Personne n'en a construit un selon la spécification et ne l'a mesuré. C'est une omission étrange pour un résultat publié par un laboratoire de l'Armée de l'air il y a trente ans.
À qui elle s'adresseExpérimentateurs plasma · Ingénieurs radiofréquence · Ingénieurs en électromagnétisme computationnel
Pourquoi la bibliothèque le suggère
Jack Nachamkin, écrivant pour le Phillips Laboratory de l'Armée de l'air, traite le cas à symétrie sphérique et harmonique dans le temps et trouve deux choses qui valent la peine d'être construites : une fréquence critique en dessous de laquelle le courant ne peut plus être porté par les électrons et l'objet reste stable, et des tailles résonantes auxquelles les conditions aux limites du plasmoïde sont satisfaites par des solutions de vide ordinaires, si bien qu'aucune énergie n'entre ni ne sort. Un mouvement vortical stable du plasma annule exactement la contrainte électromécanique dominante, et ce qui reste retombe abruptement quand la fréquence monte (Force-Free Time-Harmonic Plasmoids, 1992).
Transformez l'analyse en une commande. Fixez la densité d'électrons libres et la fréquence critique en découle seule ; excitez au-dessus de ce seuil et les rayons résonants apparaissent, les tailles où un nombre entier de demi-longueurs d'onde intérieures traverse l'objet.
Tailles résonantes
Une analyse de l'Air Force de 1992 affirme qu'une boule d'énergie électromagnétique piégée qui se tient toute seule possède deux nombres calculables : une fréquence critique, en dessous de laquelle les électrons ne peuvent plus porter le courant et l'objet reste stable, et des tailles résonantes où il n'échange aucune énergie avec son entourage. Tournez la densité et la fréquence d'excitation, et les deux nombres bougent devant vous.
- Fréquence critique
- Rayons résonants
- Fréquence critique:
- 8,98E9 Hz
- Indice de réfraction intérieur:
- 0,893
- Plus petit rayon résonant:
- 8,41E-3 m
- Rayons résonants:
- 8,41E-3, 1,68E-2, 2,52E-2 m
L'excitation est au-dessus de la fréquence critique, une onde se propage à l'intérieur, et les rayons résonants ci-dessous sont les tailles où les conditions aux limites sont satisfaites par des solutions ordinaires du vide, si bien qu'aucune énergie ne traverse la surface.
À surveiller. Personne n'a encore construit un plasmoïde à cette spécification pour le mesurer. La mesure qui trancherait est la durée de vie en fonction de la fréquence d'excitation et de la taille de la cavité, avec un pic à la taille résonante prédite et un seuil à la fréquence critique prédite.
Lire l'analyse de 1992
Une ligne de recherche distincte demande ce qui maintient ensemble de nombreux noyaux de plasmoïde à l'échelle nanométrique comme un seul objet visible, et trouve une force d'échange quantique entre ions porteurs de dipôles qui atteint quelques pour cent de l'énergie électromagnétique aux densités ioniques de l'eau liquide (Quantum exchange interaction of spherically symmetric plasmoids, 2012). L'argument de relaxation qui dit pourquoi un tel objet se stabilise dans une seule forme est Magnetic Helicity, Spheromaks, Solar Corona Loops, and Astrophysical Jets (2017).
Et l'argument de relaxation qui est dessous : libérez de l'énergie magnétique en maintenant l'enlacement fixe, et la configuration tombe dans l'état où le champ est parallèle à son propre rotationnel et où l'objet se tient tout seul.
La relaxation
« Il se tient tout seul » a des airs de magie tant qu'on ne l'écrit pas comme une minimisation. Un champ magnétique emmêlé perd son énergie bien plus vite que son enlacement : la question n'est donc pas s'il se relaxe, mais jusqu'où il peut se relaxer. Libérez l'énergie et regardez : l'hélicité ne bouge pas, l'énergie descend jusqu'à un plancher qu'elle ne peut pas franchir, et le champ finit parallèle à son propre rotationnel — sans force — avec l'unique valeur propre que la sphère elle-même impose.
- Énergie magnétique
- Hélicité magnétique
- Axe magnétique
- Énergie magnétique:
- 3,823
- Hélicité magnétique:
- 1,000
- Énergie minimale qu'autorise cette hélicité:
- 2,247
- Énergie encore au-dessus de ce plancher:
- 70,2 %
- Résidu sans force:
- 101,6 %
- Valeur propre la mieux ajustée:
- 8,425
- Valeur propre de Taylor à ce rayon:
- 1,8E4 m⁻¹
- Axe magnétique:
- 0°
Le champ est emmêlé : plusieurs modes propres du rotationnel coexistent, aucune valeur propre unique ne l'ajuste, la force de Lorentz ne s'annule pas, et il y a ici de l'énergie que l'enlacement n'exige pas.
La part honnête : l'état relaxé n'est pas inconditionnellement stable. Le mode de basculement est le mouvement dont on prédit qu'il met fin à ces objets, et la minimisation ne peut pas l'interdire, puisqu'une rotation rigide laisse les deux grandeurs exactement où elles étaient. C'est la frontière qui tranche. Le dossier de laboratoire n'est pas unilatéral non plus : à Princeton, une configuration à champ inversé a tenu des plasmas plus de dix mille fois plus longtemps que ne le prédisait la théorie du basculement.
Le mesuré et le prédit, tenus séparés. Ce qui est publié sur ce plasmoïde, c'est son rayon, et qu'il est magnétiquement auto-confiné et auto-organisé. Le champ intérieur tracé ici est l'état vers lequel la théorie dit qu'un plasma qui s'auto-organise se relaxe ; ce n'est pas un relevé pris à l'intérieur d'un plasmoïde, et aucune mesure de ce genre n'est revendiquée.
À surveiller. Une mesure du champ à l'intérieur d'un plasmoïde de laboratoire, comparée à la valeur propre qu'impose la frontière. C'est l'observation qui ferait passer l'état relaxé tracé ici de prédiction à relevé.
La relaxation à hélicité constante est de la magnétohydrodynamique de manuel, établie aussi bien pour le sphéromak que pour la boucle coronale et le jet astrophysique.
Sources
L'expérience ou la construction
Construire une cellule à décharge radiofréquence dont la fréquence de pilotage et les dimensions de chambre sont fixées à partir des propres formules de fréquence critique et de taille résonante de Nachamkin, dans un gaz partiellement ionisé à la pression que suppose l'analyse. Balayer la fréquence à travers la valeur critique prédite et balayer la dimension de la cavité à travers la résonance prédite. La mesure qui tranche est la durée de vie du plasmoïde en fonction de la fréquence de pilotage et de la taille de la cavité, avec un pic apparaissant à la taille résonante prédite et un seuil de stabilité apparaissant à la fréquence critique prédite. Un pic de durée de vie qui atterrit là où un calcul de 1992 disait qu'il atterrirait est un résultat fort ; un pic de durée de vie qui atterrit ailleurs en est un meilleur, parce qu'il corrige la théorie.
Contexte de recherche
Le dossier décrit une analyse évaluée par les pairs avec des paramètres nommés, publiée sous parrainage de l'Armée de l'air, et aucune expérience répertoriée construite selon sa spécification.
Prenez cette fiche
- La mesure qui tranche
- La mesure qui tranche est la durée de vie du plasmoïde en fonction de la fréquence de pilotage et de la taille de la cavité, avec un pic apparaissant à la taille résonante prédite et un seuil de stabilité apparaissant à la fréquence critique prédite.
- Ce qu'il faut pour commencer
- Université.
- L'ingénieur qu'elle forme
- C'est la proposition constructible la plus négligée de la bibliothèque.
Ce sur quoi elle repose
- A force-free electromagnetic model of spherical plasmoids (en anglais)
- Quantum exchange interaction of spherically symmetric plasmoids (en anglais)2012
- Magnetic Helicity, Spheromaks, Solar Corona Loops, and Astrophysical Jets (en anglais)2017
Sa place dans le programme
Objets de vide exotique, plasmoïdes et sphères lumineuses · Les machines à fusion : pinchs, dispositifs à focus et pilotes inertiels